Серебристые облака - самые высокие облачные образования в земной атмосфере, образующиеся на высотах 70-95 км. Их называют также полярными мезосферными облаками (polar mesospheric clouds, PMC) или ночными светящимися облаками (noctilucent clouds, NLC).
Именно последнее название, наиболее точно отвечающее их внешнему виду и условиям их наблюдения, принято как стандартное в международной практике.
Наблюдать серебристые облака можно лишь в летние месяцы: в Северном полушарии в июне-июле, обычно - с середины июня до середины июля, и лишь на географических широтах от 45 до 70 градусов, причем в большинстве случаев - от 55 до 65 градусов. В Южном полушарии - в конце декабря и в январе на широтах от 40 до 65 градусов. В это время года и на этих широтах Солнце даже в полночь опускается не очень глубоко под горизонт, и его скользящие лучи освещают стратосферу, где на высоте в среднем около 83 км появляются серебристые облака. Как правило, они видны невысоко над горизонтом, на высоте 3-10 градусов в северной части неба (для наблюдателей Северного полушария). При внимательном наблюдении их замечают ежегодно, но высокой яркости они достигают далеко не каждый год.
Днем, даже на фоне чистого голубого неба эти облака не видны: очень уж они тонкие, "эфирные". Лишь глубокие сумерки и ночная тьма делают их заметными для наземного наблюдателя. Правда, с помощью аппаратуры, поднятой на большие высоты, эти облака можно регистрировать и в дневное время. Легко убедиться в поразительной прозрачности серебристых облаков: сквозь них прекрасно видны звезды.
Для геофизиков и астрономов серебристые облака представляют большой интерес. Ведь эти облака рождаются в области температурного минимума, где атмосфера охлаждена до -70 С, а иногда и до -100 С. Высоты от 50 до 150 км исследованы еще слабо, поскольку самолеты и аэростаты туда не могут подняться, а искусственные спутники Земли не могут надолго туда опуститься. Поэтому до сих пор ученые спорят как об условиях на этих высотах, так и о природе самих серебристых облаков, которые, в отличие от низких тропосферных облаков, находятся в зоне активного взаимодействия атмосферы Земли с космическим пространством. Межпланетная пыль, метеорное вещество, заряженные частицы солнечного и космического происхождения, магнитные поля постоянно участвуют в физико-химических процессах, происходящих в верхней атмосфере. Результаты этого взаимодействия наблюдаются в виде полярных сияний, свечения атмосферы, метеорных явлений, изменений цвета и продолжительности сумерек. Предстоит еще выяснить, какую роль эти явления играют в развитии серебристых облаков.
В настоящее время серебристые облака представляют собой единственный естественный источник данных о ветрах на больших высотах, о волновых движениях в мезопаузе, что существенно дополняет исследование ее динамики другими методами такими как: радиолокация метеорных следов, ракетное и лазерное зондирование. Обширные площади и значительное время существования таких облачных полей дает уникальную возможность для прямого определения параметров атмосферных волн различного типа и их временной эволюции.
В силу географических особенностей этого явления, серебристые облака в основном изучаются в Северной Европе, России и Канаде. Российские ученые внесли и вносят в эту работу весьма значительный вклад, причем немалую роль играют квалифицированные наблюдения, полученные любителями науки.
Открытие серебристых облаков
Некоторые упоминания о ночных светящихся облаках встречаются в работах европейских ученых 17-18 вв., но они имеют отрывочный и нечеткий характер. Временем открытия серебристых облаков принято считать июнь 1885 г., когда их заметили сразу десятки наблюдателей в разных странах. Первооткрывателями этого явления считаются Т. Бэкхаус (Backhouse T.W.), наблюдавший их 8 июня в Киссингене (Германия), и астроном Московского университета Витольд Карлович Цераский, обнаруживший их независимо и впервые наблюдавший вечером 12 июня (по новому стилю). В последующие дни Цераский вместе с известным пулковским астрофизиком А.А. Белопольским, работавшем тогда в Московской обсерватории, подробно изучил серебристые облака и впервые определил их высоту, получив значения от 73 до 83 км, подтвержденные через 3 года немецким метеорологом Отто Иессе (O. Jesse).
Ночные светящиеся облака произвели на Цераского большое впечатление: "Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с легким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта желтый, золотистый оттенок. Были случаи, что от них делалось светло, стены зданий весьма заметно озарялось, и неясно видимые предметы резко выступали. Иногда облака образовывали слои или пласты, иногда своим видом похожи были на ряды волн, или напоминали песчаную отмель, покрытую рябью или волнистыми неровностями... Это настолько блестящее явление, что совершенно невозможно составить себе о нем представление без рисунков и подробного описания. Некоторые длинные, ослепительно серебристые полосы перекрещивающиеся или параллельные горизонту, изменяются довольно медленно и столь резки, что их можно удерживать в поле зрения телескопа". (Более подробное описание открытия серебритых облаков, сделанное Цераским, см. в Приложении.)
Наблюдение серебристых облаков
Следует помнить, что с поверхности Земли серебристые облака могут наблюдаться только в период глубоких сумерек, на фоне почти черного неба и, разумеется, при отсутствии более низких, тропосферных облаков. Необходимо отличать сумеречное небо от зоревого неба. Зори наблюдаются в период ранних гражданских сумерек, когда центр солнечного диска опускается под горизонт наблюдателя на глубину от 0 до 6 градусов. Солнечные лучи при этом освещают всю толщу слоев нижней атмосферы и нижнюю кромку тропосферных облаков. Заря характерна богатым разнообразием ярких красок.
Во вторую половину гражданских сумерек (глубина Солнца 3-6 градусов) западная часть небосвода имеет еще довольно яркое зоревое освещение, но в соседних участках небо уже приобретает глубокие темно-синие и сине-зеленые оттенки. Область наибольшей яркости неба в этот период называют сумеречным сегментом.
Наиболее благоприятные условия для обнаружения серебристых облаков создаются в период навигационных сумерек, при погружении Солнца под горизонт на 6-12 градусов (в конце июня в средних широтах это бывает часа за 1,5-2 до истинной полночи). В это время земная тень закрывает нижние, наиболее плотные, запыленные слои атмосферы, и освещаются только разреженные слои, начиная с мезосферы. Рассеянный в мезосфере солнечный свет образует слабое сияние сумеречного неба; на этом фоне легко обнаруживается свечение серебристых облаков, которые привлекают к себе внимание даже случайных свидетелей. Различные наблюдатели определяют их цвет как жемчужно-серебристый с голубоватым отливом или бело-голубой.
В условиях сумерек цвет серебристых облаков кажется необычным. Порой облака как бы фосфоресцируют. По ним движутся еле заметные тени. Отдельные участки облачного поля становятся значительно ярче других. Через несколько минут более яркими могут оказаться соседние участки.
Несмотря на то, что скорость ветра в стратосфере составляет 100-300 м/с, большая высота серебристых облаков делает их почти неподвижными в поле зрения телескопа или фотокамеры. Поэтому первые фотографии этих облаков были получены О. Иессе еще в 1887 г. Несколько групп исследователей во всем мире сейчас систематически изучают серебристые облака как в Северном, так и в Южном полушариях. Исследование серебристых облаков, как и других трудно прогнозируемых явлений природы, предполагает широкое привлечение любителей науки. Каждый естествоиспытатель, независимо от его основной профессии, может внести свой вклад в коллекцию фактов об этом замечательном атмосферном явлении.
Качественную фотографию серебристых облаков можно получить с помощью простейшей любительской камеры. Например, можно использовать фотоаппарат "Зенит" со штатным объективом "Гелиос-44"; при диафрагме 2,8-3,5 и пленке чувствительностью 100-200 единиц рекомендуются экспозиция от 1-2 до 10-15 секунд. С цифровой камерой при чувствительности 80 единиц рекомендуется экспозиция 10 сек. Очень важно, чтобы во время экспозиции камера не дрожала; для этого желательно использовать надежный штатив; в крайнем случае, достаточно прижать камеру рукой к косяку окна, дереву или камню. Если ветра нет, то можно просто поставить камеру на твердую поверхность и не прикасаться к ней. На зеркальных пленочных камерах при спуске затвора обязательно следует пользоваться тросиком. На цифровых камерах следует использовать автоспуск, чтобы после нажатия спусковой кнопки до начала экспозиции аппарат успел успокоиться.
Чтобы полученные снимки представляли не только эстетический интерес, но имели бы научный смысл и дали бы материал для последующего анализа, необходимо точно фиксировать обстоятельства съемки (время, параметры аппаратуры и фотоматериалов), а также использовать простейшие приспособления: светофильтры, поляризационные фильтры, зеркало для определения скорости перемещения контрастных деталей облаков.
По внешнему виду серебристые облака имеют некоторое сходство с высокими перистыми облаками. Для описания структурных форм серебристых облаков при их визуальном наблюдении разработана международная морфологическая классификация:
Тип I. Флер - наиболее простая, ровная форма, заполняющая пространство между более сложными, контрастными деталями и имеющая туманное строение и слабое нежно-белое с голубоватым оттенком свечение.
Тип II. Полосы, напоминающие узкие струйки, как будто бы увлекаемые потоками воздуха. Часто располагаются группами по нескольку штук, параллельно друг другу или переплетаясь под небольшим углом. Полосы делят на две группы - размытые (II-a) и резко очерченные (II-b).
Тип III. Волны подразделяют на три группы.
Гребешки (III-a) - участки с частым расположением узких, резко очерченных параллельных полос, наподобие легкой ряби на поверхности воды при небольшом порыве ветра.
Гребни (III-b) имеют более заметные признаки волновой природы; расстояние между соседними гребнями в 10-20 раз больше, чем у гребешков.
Волнообразные изгибы (III-c) образуются в результате искривления поверхности облаков, занятой другими формами (полосами, гребешками).
Тип IV. Вихри также подразделяют на три группы.
Завихрения с малым радиусом (IV-a): от 0,1 до 0,5 градуса, т. е. не больше лунного диска. Они изгибают или полностью закручивают полосы, гребешки, а иногда и флер, образуя кольцо с темным пространством в середине, напоминающее лунный кратер.
Завихрения в виде простого изгиба одной или нескольких полос в сторону от основного направления (IV-b).
Мощные вихревые выбросы "светящейся" материи в сторону от основного облака (IV-c); это редкое образование характерно быстрой изменчивостью своей формы.
Зона максимальной частоты наблюдения серебристых облаков в Северном полушарии проходит по широте 55-58 градусов. В эту полосу попадают многие крупные города России: Москва, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Красноярск, Н. Новгород, Новосибирск, Челябинск и др., и лишь несколько городов Северной Европы и Канады. В этом смысле российским ученым и любителям науки природа предоставила счастливую возможность, которую следует использовать.
Свойства и природа серебристых облаков
Диапазон высот, на которых образуются серебристые облака вообще весьма стабилен (73-95 км), но в некоторые годы он сужается до 81-85 км, а иногда расширяется до 60-118 км. Часто облачное поле состоит из нескольких, довольно узких по высоте слоев. Основной причиной свечения облаков служит рассеяние ими солнечного света, но не исключено, что некоторую роль играет и эффект люминесценции под действием ультрафиолетовых лучей Солнца.
Прозрачность серебристых облаков чрезвычайно высока: обычное облачное поле задерживает всего около 0,001% проходящего сквозь него света. Именно характер рассеяния солнечного света серебристыми облаками позволил установить, что они представляют собой скопления частиц размером 0,1-0,7 мкм. О природе этих частиц высказывались самые разные гипотезы: предполагалось, что это могут быть ледяные кристаллы, мелкие частицы вулканической пыли, кристаллы поваренной соли в ледяной "шубе", космическая пыль, частицы метеорного или кометного происхождения.
Яркие серебристые облака, впервые наблюдавшиеся в 1885-1892 гг. и, по-видимому, не замечавшиеся до этого, наводили на мысль, что их появление связано с каким-то мощным катастрофическим процессом. Таким явлением было извержение вулкана Кракатау в Индонезии 27 августа 1883 г. По сути, это был колоссальный взрыв с энергией, равной взрыву двадцати водородных бомб (20 Мт ТНТ). В атмосферу было выброшено около 35 млн тонн вулканической пыли, поднявшейся на высоту до 30 км, и огромная масса водяного пара. После взрыва Кракатау были замечены оптические аномалии: светлые зори, уменьшение прозрачности атмосферы, поляризационные аномалии, кольцо Бишопа (коричнево-красный венец вокруг Солнца с внешним угловым радиусом около 22 градусов и шириной 10 градусов; небо внутри кольца светлое с голубоватым оттенком). Эти аномалии продолжались около двух лет, постепенно ослабевая, и серебристые облака появились лишь к концу этого срока.
Гипотезу о вулканической природе серебристых облаков первым высказал немецкий исследователь В. Кольрауш в 1887 г.; он считал их сконденсировавшимися парами воды, выброшенными при извержении. О. Иессе в 1888-1890 гг. развил эту идею, полагая, что это не вода, а какой-то неизвестный газ (возможно, водород) был выброшен вулканом и замерз в виде мелких кристаллов. Высказывались мнения, что вулканическая пыль также играет роль в формирования серебристых облаков, поскольку служит центрами кристаллизации водяного пара.
Но постепенное накопление наблюдательных данных давало факты, говорившие явно не в пользу вулканической гипотезы. Анализ световых аномалий после крупнейших вулканических извержений (Мон-Пеле, 1902 г.; Катмаи, 1912 г.; Кордильеры, 1932 г.) показал, что лишь в редких случаях они сопровождались появлением серебристых облаков; скорее всего это были случайные совпадения. В настоящее время вулканическая гипотеза, которая в начале ХХ в. считалась общепринятой и даже проникла в учебники метеорологии, имеет лишь историческое значение.
Возникновение метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков также связано с грандиозным природным явлением - Тунгусской катастрофой 30 июня 1908 г. (см. статью Тунгусский метеорит). С точки зрения наблюдателей, среди которых были весьма опытные астрономы и метеорологи (В.Деннинг, Ф.Буш, Э.Эсклангон, М.Вольф, Ф.Архенгольд, Д.О.Святский и др.), это явление проявило себя главным образом различными оптическими аномалиями, наблюдавшимися во многих европейских государствах, в европейской части России и Западной Сибири, вплоть до Красноярска. Наряду со светлыми зорями и "белыми ночами", наступившими там, где их обычно даже в конце июня не бывает, многими наблюдателями было отмечено появление серебристых облаков. Впрочем, в 1908 г. никто из очевидцев оптических аномалий и светящихся облаков ничего не знал о Тунгусском метеорите. Сведения о нем появились в печати лишь около 15 лет спустя.
В 1926 г. мысль о связи между этими двумя явлениями была независимо высказана первым исследователем места Тунгусской катастрофы Л.А.Куликом и метеорологом Л.Апостоловым. Леонид Алексеевич Кулик довольно подробно развил свою гипотезу, предложив вполне определенный механизм образования серебристых облаков. Он считал, что не только крупные метеориты, но и обычные метеоры, полностью разрушающиеся как раз на высотах 80-100 км, поставляют в мезосферу продукты своей возгонки, которые конденсируются затем в частицы тончайшей пыли, формирующей облака.
В 1930 г. известный американский астроном Х.Шепли, а в 1934 г. независимо от него английский метеоролог Ф.Дж.Уиппл (не путать с американским астрономом Ф.Л.Уипплом) высказали гипотезу, что Тунгусский метеорит был ядром небольшой кометы с пылевым хвостом. Проникновение вещества хвоста в земную атмосферу привело, по их мнению, к возникновению оптических аномалий и к появлению серебристых облаков. Впрочем, представление о том, что причиной оптических аномалий 1908 г. было прохождение Земли сквозь облако космической пыли, высказал еще в 1908 г. один из очевидцев "светлых ночей" того периода Ф. де Руа, конечно, ничего не знавший о Тунгусском метеорите.
В последующие годы метеорную гипотезу поддерживали и развивали многие астрономы, стремясь объяснить с ее помощью наблюдаемые особенность серебристых облаков - их морфологию, широтное и временное распределение, оптические свойства и т.п. Но метеорная гипотеза в ее чистом виде с этой задачей не справилась, и с 1960 г. ее развитие практически прекратилось. Но роль метеорных частиц как ядер конденсации и роста кристаллов льда, составляющих серебристые облака, до сих пор остается бесспорной.
Сама по себе конденсационная (ледяная) гипотеза развивалась независимо с 1917 г., но долгое время не имела достаточных экспериментальных оснований. В 1925 г. немецкий геофизик А.Вегенер на основе этой гипотезы рассчитал, что для конденсации пара в ледяные кристаллы на высоте 80 км температура воздуха должна быть около -100 C; как выяснилось в ходе ракетных экспериментов спустя 30 лет, Вегенер оказался весьма недалек от истины. Начиная с 1950 г. в работах В.А.Бронштэна, И.А.Хвостикова и др. была развита метеорно-конденсационная гипотеза серебристых облаков; в ней метеорные частицы играют роль ядер конденсации, без которых образование в атмосфере капель и кристаллов из пара чрезвычайно затруднено. Эта гипотеза отчасти опирается на результаты ракетных экспериментов, в ходе которых на высотах 80-100 км были собраны микроскопические твердые частицы с намерзшей на них ледяной "шубой"; при запуске ракет в зону наблюдавшихся серебристых облаков количество таких частиц оказывалось в сотню раз больше, чем в отсутствие облаков.
Помимо упомянутых "классических" гипотез выдвигались и другие, менее традиционные; рассматривалась связь серебристых облаков с солнечной активностью, с полярными сияниями, с другими геофизическими явлениями. Например, как источник водяного пара в мезосфере подозревалась реакция атмосферного кислорода с протонами солнечного ветра (гипотеза о "солнечном дожде"). Одна из последних гипотез связывает серебристые облака с возникновением озоновых дыр в стратосфере. Область формирования этих облаков изучается все активнее в связи с космическим и стратосферным транспортом: с одной стороны, запуски мощных ракет с водородо-кислородными двигателями служат важным источником водяного пара в мезосфере и стимулируют формирование облаков, а с другой - появление в этой области облаков создает проблемы при возвращении космических аппаратов на Землю. Необходимо создание надежной теории серебристых облаков, дающей возможность прогнозировать и даже управлять этим явлением природы. Но до сих пор многие факты в этой области неполны и противоречивы. Серебристые облака продолжают оставаться волнующей проблемой для естествоиспытателей.
О СВЕТЯЩИХСЯ ОБЛАКАХ
В 1885 г., около летнего солнцестояния, нами были замечены совершенно особенные облака, названные впоследствии светящимися или серебристыми облаками.
Что касается их появления, то я определённо знаю, что до 4 июня 1885 г. мы их никогда не видели, а 24 того же месяца мы с А. А. Белопольским пытались определить их высоту, наблюдая их из двух довольно удалённых пунктов; но максимум явления уже прошёл.
Вот каким образом возможно уточнить, с вероятной ошибкой в несколько дней, эпоху первого появления: насколько я помню, мы увидели эти облака в первый раз в пятницу; кроме того, в эту ночь была исключительно низкая температура, 0 или -1. Просматривая метеорологические журналы, можно было бы, вероятно, найти день между 4 и 24 июня, соответствующий вышеперечисленным условиям. Я думаю, что это было 12 июня. Первое появление должно было иметь место за несколько дней до этого и максимум между 12 и 24-м.
Возвращаясь однажды в один из этих дней на рассвете с загородной прогулки, мы увидели небо в необычайном состоянии; было видно, что происходит нечто, что нужно наблюдать, хотя метеорология и не входит в программу работы нашей Обсерватории.
Половина неба до зенита была покрыта плотным слоем совершенно новых для нас облаков. Явление было тогда в максимуме, к несчастью, его новизна заставила нас потерять наиболее интересные и благоприятные мгновения. Много раз с того дня мы видели и фотографировали весьма замечательные облака, но это были уже только остатки, не дававшие никакого представления о явлении в его максимальном развитии.
Наблюдение позволило нам открыть некоторые очень характерные свойства упомянутых облаков.
24 июня 1885, как сказано выше, мы пытались определить их высоту, наблюдая из двух точек, удалённых на 10 км друг от друга, и нашли, что этот базис мал, что указывало на большую высоту облаков. Наблюдения 26 июня дали нам вертикальную высоту около 75 км. Скоро мы установили, что облака, каково бы ни было их количество, не видны ни днём ни ночью; они видны только при определённом положении Солнца под горизонтом, при утренней или вечерней заре.
В этот час развёртывается поразительная картина: на совершенно ясном небе появляются облака, и через некоторое время они становятся невидимыми. Я подчёркиваю то, что они не исчезают, но лишь становятся невидимы, это я установил с уверенностью, наблюдая их простым глазом и в трубу со слабым увеличением.
Если вечером облаков много, то на северо-западе над точкой, где зашло Солнце, образуется светящийся сегмент, который, изменяясь понемногу в размерах, медленно передвигается к северу. В полночь высота сегмента больше не меняется, и это самый благоприятный момент для наблюдения, зарисовки или фотографирования.
Вероятно, в Петербурге этот сегмент увидеть нельзя, из-за чересчур светлых ночей; при продвижении к югу он становился бы меньше, а в Москве он был виден очень хорошо.
Облака, несмотря на их яркость, очень прозрачны; не один раз я видел, как они проходили перед звёздами, не уменьшая их блеска. Это показывает, что поглощение света незначительно, но все же существует и влияет на фотометрические наблюдения. Малое число моих наблюдений за последнее время объясняется именно присутствием этих облаков.
Начиная с 1885 г. мы их видели каждое лето. В прошлом, 1889 году я увидел их в первый раз 9 июня, в 11 вечера, около горизонта на северо-западе, но к полночи они исчезли. Отправляясь за границу, я просил П. Н. Лебедева, тогда ещё студента нашего университета, следить за ними, и он наблюдал их в следующие дни: 1889, 9 июня, 22 июня, 7 июля и 8 августа, перед восходом Солнца, т. е. в ночь с 8 на 9 августа. Я позволю себе теперь привести несколько строк из моей статьи по астрофотометрии, опубликованной в 1887 г., в ХIII томе Журнала Московского Математического Общества. В $ 21 этой статьи, где находятся несколько наблюдений и краткое описание этих облаков, сказано между прочим: эти облака, отличаясь по виду от всех остальных, особенно замечательны своим блеском; они ярко светились в ночном небе белым и серебристым светом, переходящим иногда в голубой, с золотисто-жёлтым оттенком возле горизонта. Случалось иногда, что здания были заметно освещены их светом и можно было даже различать далёкие предметы.
Иногда это были отдельные маленькие облачка, иногда они образовывали плотный слой или походили то на волны, то на морщинистую поверхность песчаной гряды. Кое-где в толще облаков видны были образования диаметром в 1-2, напоминающие лунные кратеры. Но наиболее характерной формой были узкие полосы, простиравшиеся то по прямой линии, то с изгибами, напоминая изрезанный берег с бухтами и заливами.
Из всех дней регулярных наблюдений явление имело наибольшее развитие в ночь с 25 на 26 июля 1886, перед восходом Солнца.
Вот несколько записей из моих журналов:
"Видимый восход центра Солнца в Зh 34.2m по московскому среднему времени. В 1h 26m по полуночи на востоке близ горизонта светящиеся облака, слабые следы которых доходят до зенита. Южная часть неба, начиная с a Lyr и a Cyg, совершенно чиста.
В 1h 36m слабые волокна облаков достигают a Lyr, вокруг a Aql небо чисто.
В 1h 41m тонкие волокна достигают a Aql, которая тоже находится в полосе плотных облаков, блеск её не кажется ослабевшим. К северу и востоку явление слабеет немного.
За исключением сегмента на юге всё небо покрыто облаками; в 2h 19m зенитное расстояние вершины этого сегмента равно 6810', азимут равен 1913' (от юга к западу), зенитное расстояние Солнца в это время равно 9545', азимут З111' (от севера к востоку)
Восход Солнца приближается, небо светлеет, все облака кажутся гораздо бледнее. В 2h 9m a Lyr ещё видна, Венера блестит. От зенита к северу небо чисто, только кое-где по-лоса бледных облаков. В 2h 46m Луна кажется белой (32 часа после последней четверти).
В Зh 08m Венера ещё хорошо видна.
В 3h 16m все облака совершенно невидимы, небо абсолютно чисто, без всяких следов облаков или дымки, a Аur несколько раз проходила через густые облака, но ослабления блеска нельзя было отметить".
Мне неоднократно возражали, что эти облака, возможно, существовали и до 1885 г., но что их не замечали. Что касается меня, я могу сказать, что с 1875 г. я наблюдаю с помощью фотометра и считаю эти наблюдения трудными и очень неприятными, исключительно благодаря особому вниманию, с которым нужно следить за малейшим облачком или тончайшей дымкой.
Мне было бы довольно трудно не заметить явления, которое порою охватывает не более не менее как весь небесный свод.
Наблюдать серебристые облака можно лишь в летние месяцы: в Северном полушарии в июне-июле, обычно - с середины июня до середины июля, и лишь на географических широтах от 45 до 70 градусов, причем в большинстве случаев - от 55 до 65 градусов. В Южном полушарии - в конце декабря и в январе на широтах от 40 до 65 градусов. В это время года и на этих широтах Солнце даже в полночь опускается не очень глубоко под горизонт, и его скользящие лучи освещают стратосферу, где на высоте в среднем около 83 км появляются серебристые облака. Как правило, они видны невысоко над горизонтом, на высоте 3-10 градусов в северной части неба (для наблюдателей Северного полушария). При внимательном наблюдении их замечают ежегодно, но высокой яркости они достигают далеко не каждый год.
Днем, даже на фоне чистого голубого неба эти облака не видны: очень уж они тонкие, "эфирные". Лишь глубокие сумерки и ночная тьма делают их заметными для наземного наблюдателя. Правда, с помощью аппаратуры, поднятой на большие высоты, эти облака можно регистрировать и в дневное время. Легко убедиться в поразительной прозрачности серебристых облаков: сквозь них прекрасно видны звезды.
Для геофизиков и астрономов серебристые облака представляют большой интерес. Ведь эти облака рождаются в области температурного минимума, где атмосфера охлаждена до -70 С, а иногда и до -100 С. Высоты от 50 до 150 км исследованы еще слабо, поскольку самолеты и аэростаты туда не могут подняться, а искусственные спутники Земли не могут надолго туда опуститься. Поэтому до сих пор ученые спорят как об условиях на этих высотах, так и о природе самих серебристых облаков, которые, в отличие от низких тропосферных облаков, находятся в зоне активного взаимодействия атмосферы Земли с космическим пространством. Межпланетная пыль, метеорное вещество, заряженные частицы солнечного и космического происхождения, магнитные поля постоянно участвуют в физико-химических процессах, происходящих в верхней атмосфере. Результаты этого взаимодействия наблюдаются в виде полярных сияний, свечения атмосферы, метеорных явлений, изменений цвета и продолжительности сумерек. Предстоит еще выяснить, какую роль эти явления играют в развитии серебристых облаков.
В настоящее время серебристые облака представляют собой единственный естественный источник данных о ветрах на больших высотах, о волновых движениях в мезопаузе, что существенно дополняет исследование ее динамики другими методами такими как: радиолокация метеорных следов, ракетное и лазерное зондирование. Обширные площади и значительное время существования таких облачных полей дает уникальную возможность для прямого определения параметров атмосферных волн различного типа и их временной эволюции.
В силу географических особенностей этого явления, серебристые облака в основном изучаются в Северной Европе, России и Канаде. Российские ученые внесли и вносят в эту работу весьма значительный вклад, причем немалую роль играют квалифицированные наблюдения, полученные любителями науки.
Открытие серебристых облаков
Некоторые упоминания о ночных светящихся облаках встречаются в работах европейских ученых 17-18 вв., но они имеют отрывочный и нечеткий характер. Временем открытия серебристых облаков принято считать июнь 1885 г., когда их заметили сразу десятки наблюдателей в разных странах. Первооткрывателями этого явления считаются Т. Бэкхаус (Backhouse T.W.), наблюдавший их 8 июня в Киссингене (Германия), и астроном Московского университета Витольд Карлович Цераский, обнаруживший их независимо и впервые наблюдавший вечером 12 июня (по новому стилю). В последующие дни Цераский вместе с известным пулковским астрофизиком А.А. Белопольским, работавшем тогда в Московской обсерватории, подробно изучил серебристые облака и впервые определил их высоту, получив значения от 73 до 83 км, подтвержденные через 3 года немецким метеорологом Отто Иессе (O. Jesse).
Ночные светящиеся облака произвели на Цераского большое впечатление: "Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с легким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта желтый, золотистый оттенок. Были случаи, что от них делалось светло, стены зданий весьма заметно озарялось, и неясно видимые предметы резко выступали. Иногда облака образовывали слои или пласты, иногда своим видом похожи были на ряды волн, или напоминали песчаную отмель, покрытую рябью или волнистыми неровностями... Это настолько блестящее явление, что совершенно невозможно составить себе о нем представление без рисунков и подробного описания. Некоторые длинные, ослепительно серебристые полосы перекрещивающиеся или параллельные горизонту, изменяются довольно медленно и столь резки, что их можно удерживать в поле зрения телескопа". (Более подробное описание открытия серебритых облаков, сделанное Цераским, см. в Приложении.)
Наблюдение серебристых облаков
Следует помнить, что с поверхности Земли серебристые облака могут наблюдаться только в период глубоких сумерек, на фоне почти черного неба и, разумеется, при отсутствии более низких, тропосферных облаков. Необходимо отличать сумеречное небо от зоревого неба. Зори наблюдаются в период ранних гражданских сумерек, когда центр солнечного диска опускается под горизонт наблюдателя на глубину от 0 до 6 градусов. Солнечные лучи при этом освещают всю толщу слоев нижней атмосферы и нижнюю кромку тропосферных облаков. Заря характерна богатым разнообразием ярких красок.
Во вторую половину гражданских сумерек (глубина Солнца 3-6 градусов) западная часть небосвода имеет еще довольно яркое зоревое освещение, но в соседних участках небо уже приобретает глубокие темно-синие и сине-зеленые оттенки. Область наибольшей яркости неба в этот период называют сумеречным сегментом.
Наиболее благоприятные условия для обнаружения серебристых облаков создаются в период навигационных сумерек, при погружении Солнца под горизонт на 6-12 градусов (в конце июня в средних широтах это бывает часа за 1,5-2 до истинной полночи). В это время земная тень закрывает нижние, наиболее плотные, запыленные слои атмосферы, и освещаются только разреженные слои, начиная с мезосферы. Рассеянный в мезосфере солнечный свет образует слабое сияние сумеречного неба; на этом фоне легко обнаруживается свечение серебристых облаков, которые привлекают к себе внимание даже случайных свидетелей. Различные наблюдатели определяют их цвет как жемчужно-серебристый с голубоватым отливом или бело-голубой.
В условиях сумерек цвет серебристых облаков кажется необычным. Порой облака как бы фосфоресцируют. По ним движутся еле заметные тени. Отдельные участки облачного поля становятся значительно ярче других. Через несколько минут более яркими могут оказаться соседние участки.
Несмотря на то, что скорость ветра в стратосфере составляет 100-300 м/с, большая высота серебристых облаков делает их почти неподвижными в поле зрения телескопа или фотокамеры. Поэтому первые фотографии этих облаков были получены О. Иессе еще в 1887 г. Несколько групп исследователей во всем мире сейчас систематически изучают серебристые облака как в Северном, так и в Южном полушариях. Исследование серебристых облаков, как и других трудно прогнозируемых явлений природы, предполагает широкое привлечение любителей науки. Каждый естествоиспытатель, независимо от его основной профессии, может внести свой вклад в коллекцию фактов об этом замечательном атмосферном явлении.
Качественную фотографию серебристых облаков можно получить с помощью простейшей любительской камеры. Например, можно использовать фотоаппарат "Зенит" со штатным объективом "Гелиос-44"; при диафрагме 2,8-3,5 и пленке чувствительностью 100-200 единиц рекомендуются экспозиция от 1-2 до 10-15 секунд. С цифровой камерой при чувствительности 80 единиц рекомендуется экспозиция 10 сек. Очень важно, чтобы во время экспозиции камера не дрожала; для этого желательно использовать надежный штатив; в крайнем случае, достаточно прижать камеру рукой к косяку окна, дереву или камню. Если ветра нет, то можно просто поставить камеру на твердую поверхность и не прикасаться к ней. На зеркальных пленочных камерах при спуске затвора обязательно следует пользоваться тросиком. На цифровых камерах следует использовать автоспуск, чтобы после нажатия спусковой кнопки до начала экспозиции аппарат успел успокоиться.
Чтобы полученные снимки представляли не только эстетический интерес, но имели бы научный смысл и дали бы материал для последующего анализа, необходимо точно фиксировать обстоятельства съемки (время, параметры аппаратуры и фотоматериалов), а также использовать простейшие приспособления: светофильтры, поляризационные фильтры, зеркало для определения скорости перемещения контрастных деталей облаков.
По внешнему виду серебристые облака имеют некоторое сходство с высокими перистыми облаками. Для описания структурных форм серебристых облаков при их визуальном наблюдении разработана международная морфологическая классификация:
Тип I. Флер - наиболее простая, ровная форма, заполняющая пространство между более сложными, контрастными деталями и имеющая туманное строение и слабое нежно-белое с голубоватым оттенком свечение.
Тип II. Полосы, напоминающие узкие струйки, как будто бы увлекаемые потоками воздуха. Часто располагаются группами по нескольку штук, параллельно друг другу или переплетаясь под небольшим углом. Полосы делят на две группы - размытые (II-a) и резко очерченные (II-b).
Тип III. Волны подразделяют на три группы.
Гребешки (III-a) - участки с частым расположением узких, резко очерченных параллельных полос, наподобие легкой ряби на поверхности воды при небольшом порыве ветра.
Гребни (III-b) имеют более заметные признаки волновой природы; расстояние между соседними гребнями в 10-20 раз больше, чем у гребешков.
Волнообразные изгибы (III-c) образуются в результате искривления поверхности облаков, занятой другими формами (полосами, гребешками).
Тип IV. Вихри также подразделяют на три группы.
Завихрения с малым радиусом (IV-a): от 0,1 до 0,5 градуса, т. е. не больше лунного диска. Они изгибают или полностью закручивают полосы, гребешки, а иногда и флер, образуя кольцо с темным пространством в середине, напоминающее лунный кратер.
Завихрения в виде простого изгиба одной или нескольких полос в сторону от основного направления (IV-b).
Мощные вихревые выбросы "светящейся" материи в сторону от основного облака (IV-c); это редкое образование характерно быстрой изменчивостью своей формы.
Зона максимальной частоты наблюдения серебристых облаков в Северном полушарии проходит по широте 55-58 градусов. В эту полосу попадают многие крупные города России: Москва, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Красноярск, Н. Новгород, Новосибирск, Челябинск и др., и лишь несколько городов Северной Европы и Канады. В этом смысле российским ученым и любителям науки природа предоставила счастливую возможность, которую следует использовать.
Свойства и природа серебристых облаков
Диапазон высот, на которых образуются серебристые облака вообще весьма стабилен (73-95 км), но в некоторые годы он сужается до 81-85 км, а иногда расширяется до 60-118 км. Часто облачное поле состоит из нескольких, довольно узких по высоте слоев. Основной причиной свечения облаков служит рассеяние ими солнечного света, но не исключено, что некоторую роль играет и эффект люминесценции под действием ультрафиолетовых лучей Солнца.
Прозрачность серебристых облаков чрезвычайно высока: обычное облачное поле задерживает всего около 0,001% проходящего сквозь него света. Именно характер рассеяния солнечного света серебристыми облаками позволил установить, что они представляют собой скопления частиц размером 0,1-0,7 мкм. О природе этих частиц высказывались самые разные гипотезы: предполагалось, что это могут быть ледяные кристаллы, мелкие частицы вулканической пыли, кристаллы поваренной соли в ледяной "шубе", космическая пыль, частицы метеорного или кометного происхождения.
Яркие серебристые облака, впервые наблюдавшиеся в 1885-1892 гг. и, по-видимому, не замечавшиеся до этого, наводили на мысль, что их появление связано с каким-то мощным катастрофическим процессом. Таким явлением было извержение вулкана Кракатау в Индонезии 27 августа 1883 г. По сути, это был колоссальный взрыв с энергией, равной взрыву двадцати водородных бомб (20 Мт ТНТ). В атмосферу было выброшено около 35 млн тонн вулканической пыли, поднявшейся на высоту до 30 км, и огромная масса водяного пара. После взрыва Кракатау были замечены оптические аномалии: светлые зори, уменьшение прозрачности атмосферы, поляризационные аномалии, кольцо Бишопа (коричнево-красный венец вокруг Солнца с внешним угловым радиусом около 22 градусов и шириной 10 градусов; небо внутри кольца светлое с голубоватым оттенком). Эти аномалии продолжались около двух лет, постепенно ослабевая, и серебристые облака появились лишь к концу этого срока.
Гипотезу о вулканической природе серебристых облаков первым высказал немецкий исследователь В. Кольрауш в 1887 г.; он считал их сконденсировавшимися парами воды, выброшенными при извержении. О. Иессе в 1888-1890 гг. развил эту идею, полагая, что это не вода, а какой-то неизвестный газ (возможно, водород) был выброшен вулканом и замерз в виде мелких кристаллов. Высказывались мнения, что вулканическая пыль также играет роль в формирования серебристых облаков, поскольку служит центрами кристаллизации водяного пара.
Но постепенное накопление наблюдательных данных давало факты, говорившие явно не в пользу вулканической гипотезы. Анализ световых аномалий после крупнейших вулканических извержений (Мон-Пеле, 1902 г.; Катмаи, 1912 г.; Кордильеры, 1932 г.) показал, что лишь в редких случаях они сопровождались появлением серебристых облаков; скорее всего это были случайные совпадения. В настоящее время вулканическая гипотеза, которая в начале ХХ в. считалась общепринятой и даже проникла в учебники метеорологии, имеет лишь историческое значение.
Возникновение метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков также связано с грандиозным природным явлением - Тунгусской катастрофой 30 июня 1908 г. (см. статью Тунгусский метеорит). С точки зрения наблюдателей, среди которых были весьма опытные астрономы и метеорологи (В.Деннинг, Ф.Буш, Э.Эсклангон, М.Вольф, Ф.Архенгольд, Д.О.Святский и др.), это явление проявило себя главным образом различными оптическими аномалиями, наблюдавшимися во многих европейских государствах, в европейской части России и Западной Сибири, вплоть до Красноярска. Наряду со светлыми зорями и "белыми ночами", наступившими там, где их обычно даже в конце июня не бывает, многими наблюдателями было отмечено появление серебристых облаков. Впрочем, в 1908 г. никто из очевидцев оптических аномалий и светящихся облаков ничего не знал о Тунгусском метеорите. Сведения о нем появились в печати лишь около 15 лет спустя.
В 1926 г. мысль о связи между этими двумя явлениями была независимо высказана первым исследователем места Тунгусской катастрофы Л.А.Куликом и метеорологом Л.Апостоловым. Леонид Алексеевич Кулик довольно подробно развил свою гипотезу, предложив вполне определенный механизм образования серебристых облаков. Он считал, что не только крупные метеориты, но и обычные метеоры, полностью разрушающиеся как раз на высотах 80-100 км, поставляют в мезосферу продукты своей возгонки, которые конденсируются затем в частицы тончайшей пыли, формирующей облака.
В 1930 г. известный американский астроном Х.Шепли, а в 1934 г. независимо от него английский метеоролог Ф.Дж.Уиппл (не путать с американским астрономом Ф.Л.Уипплом) высказали гипотезу, что Тунгусский метеорит был ядром небольшой кометы с пылевым хвостом. Проникновение вещества хвоста в земную атмосферу привело, по их мнению, к возникновению оптических аномалий и к появлению серебристых облаков. Впрочем, представление о том, что причиной оптических аномалий 1908 г. было прохождение Земли сквозь облако космической пыли, высказал еще в 1908 г. один из очевидцев "светлых ночей" того периода Ф. де Руа, конечно, ничего не знавший о Тунгусском метеорите.
В последующие годы метеорную гипотезу поддерживали и развивали многие астрономы, стремясь объяснить с ее помощью наблюдаемые особенность серебристых облаков - их морфологию, широтное и временное распределение, оптические свойства и т.п. Но метеорная гипотеза в ее чистом виде с этой задачей не справилась, и с 1960 г. ее развитие практически прекратилось. Но роль метеорных частиц как ядер конденсации и роста кристаллов льда, составляющих серебристые облака, до сих пор остается бесспорной.
Сама по себе конденсационная (ледяная) гипотеза развивалась независимо с 1917 г., но долгое время не имела достаточных экспериментальных оснований. В 1925 г. немецкий геофизик А.Вегенер на основе этой гипотезы рассчитал, что для конденсации пара в ледяные кристаллы на высоте 80 км температура воздуха должна быть около -100 C; как выяснилось в ходе ракетных экспериментов спустя 30 лет, Вегенер оказался весьма недалек от истины. Начиная с 1950 г. в работах В.А.Бронштэна, И.А.Хвостикова и др. была развита метеорно-конденсационная гипотеза серебристых облаков; в ней метеорные частицы играют роль ядер конденсации, без которых образование в атмосфере капель и кристаллов из пара чрезвычайно затруднено. Эта гипотеза отчасти опирается на результаты ракетных экспериментов, в ходе которых на высотах 80-100 км были собраны микроскопические твердые частицы с намерзшей на них ледяной "шубой"; при запуске ракет в зону наблюдавшихся серебристых облаков количество таких частиц оказывалось в сотню раз больше, чем в отсутствие облаков.
Помимо упомянутых "классических" гипотез выдвигались и другие, менее традиционные; рассматривалась связь серебристых облаков с солнечной активностью, с полярными сияниями, с другими геофизическими явлениями. Например, как источник водяного пара в мезосфере подозревалась реакция атмосферного кислорода с протонами солнечного ветра (гипотеза о "солнечном дожде"). Одна из последних гипотез связывает серебристые облака с возникновением озоновых дыр в стратосфере. Область формирования этих облаков изучается все активнее в связи с космическим и стратосферным транспортом: с одной стороны, запуски мощных ракет с водородо-кислородными двигателями служат важным источником водяного пара в мезосфере и стимулируют формирование облаков, а с другой - появление в этой области облаков создает проблемы при возвращении космических аппаратов на Землю. Необходимо создание надежной теории серебристых облаков, дающей возможность прогнозировать и даже управлять этим явлением природы. Но до сих пор многие факты в этой области неполны и противоречивы. Серебристые облака продолжают оставаться волнующей проблемой для естествоиспытателей.
О СВЕТЯЩИХСЯ ОБЛАКАХ
В 1885 г., около летнего солнцестояния, нами были замечены совершенно особенные облака, названные впоследствии светящимися или серебристыми облаками.
Что касается их появления, то я определённо знаю, что до 4 июня 1885 г. мы их никогда не видели, а 24 того же месяца мы с А. А. Белопольским пытались определить их высоту, наблюдая их из двух довольно удалённых пунктов; но максимум явления уже прошёл.
Вот каким образом возможно уточнить, с вероятной ошибкой в несколько дней, эпоху первого появления: насколько я помню, мы увидели эти облака в первый раз в пятницу; кроме того, в эту ночь была исключительно низкая температура, 0 или -1. Просматривая метеорологические журналы, можно было бы, вероятно, найти день между 4 и 24 июня, соответствующий вышеперечисленным условиям. Я думаю, что это было 12 июня. Первое появление должно было иметь место за несколько дней до этого и максимум между 12 и 24-м.
Возвращаясь однажды в один из этих дней на рассвете с загородной прогулки, мы увидели небо в необычайном состоянии; было видно, что происходит нечто, что нужно наблюдать, хотя метеорология и не входит в программу работы нашей Обсерватории.
Половина неба до зенита была покрыта плотным слоем совершенно новых для нас облаков. Явление было тогда в максимуме, к несчастью, его новизна заставила нас потерять наиболее интересные и благоприятные мгновения. Много раз с того дня мы видели и фотографировали весьма замечательные облака, но это были уже только остатки, не дававшие никакого представления о явлении в его максимальном развитии.
Наблюдение позволило нам открыть некоторые очень характерные свойства упомянутых облаков.
24 июня 1885, как сказано выше, мы пытались определить их высоту, наблюдая из двух точек, удалённых на 10 км друг от друга, и нашли, что этот базис мал, что указывало на большую высоту облаков. Наблюдения 26 июня дали нам вертикальную высоту около 75 км. Скоро мы установили, что облака, каково бы ни было их количество, не видны ни днём ни ночью; они видны только при определённом положении Солнца под горизонтом, при утренней или вечерней заре.
В этот час развёртывается поразительная картина: на совершенно ясном небе появляются облака, и через некоторое время они становятся невидимыми. Я подчёркиваю то, что они не исчезают, но лишь становятся невидимы, это я установил с уверенностью, наблюдая их простым глазом и в трубу со слабым увеличением.
Если вечером облаков много, то на северо-западе над точкой, где зашло Солнце, образуется светящийся сегмент, который, изменяясь понемногу в размерах, медленно передвигается к северу. В полночь высота сегмента больше не меняется, и это самый благоприятный момент для наблюдения, зарисовки или фотографирования.
Вероятно, в Петербурге этот сегмент увидеть нельзя, из-за чересчур светлых ночей; при продвижении к югу он становился бы меньше, а в Москве он был виден очень хорошо.
Облака, несмотря на их яркость, очень прозрачны; не один раз я видел, как они проходили перед звёздами, не уменьшая их блеска. Это показывает, что поглощение света незначительно, но все же существует и влияет на фотометрические наблюдения. Малое число моих наблюдений за последнее время объясняется именно присутствием этих облаков.
Начиная с 1885 г. мы их видели каждое лето. В прошлом, 1889 году я увидел их в первый раз 9 июня, в 11 вечера, около горизонта на северо-западе, но к полночи они исчезли. Отправляясь за границу, я просил П. Н. Лебедева, тогда ещё студента нашего университета, следить за ними, и он наблюдал их в следующие дни: 1889, 9 июня, 22 июня, 7 июля и 8 августа, перед восходом Солнца, т. е. в ночь с 8 на 9 августа. Я позволю себе теперь привести несколько строк из моей статьи по астрофотометрии, опубликованной в 1887 г., в ХIII томе Журнала Московского Математического Общества. В $ 21 этой статьи, где находятся несколько наблюдений и краткое описание этих облаков, сказано между прочим: эти облака, отличаясь по виду от всех остальных, особенно замечательны своим блеском; они ярко светились в ночном небе белым и серебристым светом, переходящим иногда в голубой, с золотисто-жёлтым оттенком возле горизонта. Случалось иногда, что здания были заметно освещены их светом и можно было даже различать далёкие предметы.
Иногда это были отдельные маленькие облачка, иногда они образовывали плотный слой или походили то на волны, то на морщинистую поверхность песчаной гряды. Кое-где в толще облаков видны были образования диаметром в 1-2, напоминающие лунные кратеры. Но наиболее характерной формой были узкие полосы, простиравшиеся то по прямой линии, то с изгибами, напоминая изрезанный берег с бухтами и заливами.
Из всех дней регулярных наблюдений явление имело наибольшее развитие в ночь с 25 на 26 июля 1886, перед восходом Солнца.
Вот несколько записей из моих журналов:
"Видимый восход центра Солнца в Зh 34.2m по московскому среднему времени. В 1h 26m по полуночи на востоке близ горизонта светящиеся облака, слабые следы которых доходят до зенита. Южная часть неба, начиная с a Lyr и a Cyg, совершенно чиста.
В 1h 36m слабые волокна облаков достигают a Lyr, вокруг a Aql небо чисто.
В 1h 41m тонкие волокна достигают a Aql, которая тоже находится в полосе плотных облаков, блеск её не кажется ослабевшим. К северу и востоку явление слабеет немного.
За исключением сегмента на юге всё небо покрыто облаками; в 2h 19m зенитное расстояние вершины этого сегмента равно 6810', азимут равен 1913' (от юга к западу), зенитное расстояние Солнца в это время равно 9545', азимут З111' (от севера к востоку)
Восход Солнца приближается, небо светлеет, все облака кажутся гораздо бледнее. В 2h 9m a Lyr ещё видна, Венера блестит. От зенита к северу небо чисто, только кое-где по-лоса бледных облаков. В 2h 46m Луна кажется белой (32 часа после последней четверти).
В Зh 08m Венера ещё хорошо видна.
В 3h 16m все облака совершенно невидимы, небо абсолютно чисто, без всяких следов облаков или дымки, a Аur несколько раз проходила через густые облака, но ослабления блеска нельзя было отметить".
Мне неоднократно возражали, что эти облака, возможно, существовали и до 1885 г., но что их не замечали. Что касается меня, я могу сказать, что с 1875 г. я наблюдаю с помощью фотометра и считаю эти наблюдения трудными и очень неприятными, исключительно благодаря особому вниманию, с которым нужно следить за малейшим облачком или тончайшей дымкой.
Мне было бы довольно трудно не заметить явления, которое порою охватывает не более не менее как весь небесный свод.
Обсуждения Серебристые облака